(57)【要約】【課題】  発光層における反転分布を効率的に形成して、レーザ動作性能を向上することが可能な量子カスケードレーザを提供する。【解決手段】  半導体基板と、発光層１７及び注入層１８からなる単位積層体１６が多段に積層された活性層とによって量子カスケードレーザを構成する。単位積層体１６のサブバンド準位構造は、発光上準位Ｌｕｐと、発光下準位Ｌｌｏｗと、緩和ミニバンドＭＢとを有し、上準位から下準位への電子のサブバンド間遷移によって光が生成される。また、発光遷移を経た電子は、ＬＯフォノン散乱によって下準位ＬｌｏｗからミニバンドＭＢへと緩和され、ミニバンドＭＢを介して後段の発光層へと注入される。発光層１７の第１障壁層は、注入障壁層として機能するとともに、第３井戸層の層厚は、第２井戸層の層厚に対して９０％以上１０５％以下の範囲内で設定される。【選択図】  図２
2010165994.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで前記量子井戸発光層と前記注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、
前記活性層に含まれる複数の前記単位積層体のそれぞれは、そのサブバンド準位構造において、発光上準位と、発光下準位と、前記発光下準位よりも低いエネルギー準位からなり緩和準位として機能する緩和ミニバンドとを有し、前記緩和ミニバンドのエネルギー幅は、縦光学フォノンのエネルギーよりも大きく設定され、
前記量子井戸発光層における前記発光上準位から前記発光下準位への電子のサブバンド間遷移によって光が生成されるとともに、前記サブバンド間遷移を経た電子は、縦光学フォノン散乱によって前記発光下準位から前記緩和ミニバンドへと緩和され、前記緩和ミニバンドを介して、前記注入層から後段の単位積層体の量子井戸発光層へと注入され、
前記量子井戸発光層は、前段の単位積層体側から順に第１〜第ｎ量子障壁層のｎ個（ｎは５以上の整数）の量子障壁層、及び第１〜第ｎ量子井戸層のｎ個の量子井戸層を有し、第１量子障壁層は、前段の注入層から前記量子井戸発光層への注入障壁層として機能するとともに、第３量子井戸層の層厚は、第２量子井戸層の層厚に対して９０％以上１０５％以下の範囲内で設定されていることを特徴とする量子カスケードレーザ。
【請求項２】
前記量子井戸発光層において、第４量子井戸層及び第５量子井戸層の層厚は、それぞれ第２量子井戸層の層厚に対して７０％以上１００％以下の範囲内で設定されていることを特徴とする請求項１記載の量子カスケードレーザ。
【請求項３】
前記量子井戸発光層において、第２量子障壁層、第３量子障壁層、及び第４量子障壁層の層厚は、それぞれ２〜５原子層の範囲内で設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の量子カスケードレーザ。
【請求項４】
前記量子井戸発光層において、第５量子障壁層の層厚は、第２量子障壁層、第３量子障壁層、及び第４量子障壁層のいずれの層厚よりも大きく、かつ、前記注入層における前記量子井戸発光層から前記注入層への抽出障壁層の層厚よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
【請求項５】
前記単位積層体の前記サブバンド準位構造において、前記発光上準位から前記発光上準位よりも高エネルギー側にある準位までのエネルギー間隔は、縦光学フォノンのエネルギーよりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
【請求項６】
前記緩和ミニバンドは、前記量子井戸発光層でのミニバンドと、前記注入層でのミニバンドとが結合したバンド構造を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子井戸構造でのサブバンド間遷移を利用した量子カスケードレーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
中赤外の波長領域（例えば波長５〜３０μｍ）の光は、分光分析分野において重要な波長領域となっている。このような波長領域での高性能な半導体光源として、近年、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum Cascade Laser）が注目を集めている（量子カスケードレーザについては、例えば、特許文献１〜５、非特許文献１〜４参照）。
【０００３】
量子カスケードレーザは、半導体量子井戸構造中に形成されるサブバンドによる準位構造を利用し、サブバンド間での電子遷移によって光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子であり、量子井戸構造で構成され活性領域となる量子井戸発光層を多段にカスケード結合することによって、高効率、高出力動作を実現することが可能である。また、この量子井戸発光層のカスケード結合は、発光上準位へと電子を注入するための電子注入層を用い、量子井戸発光層と注入層とを交互に積層することによって実現される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５４５７７０９号公報
【特許文献２】米国特許第５７４５５１６号公報
【特許文献３】米国特許第６７５１２４４号公報
【特許文献４】米国特許第６９２２４２７号公報
【特許文献５】特開２００８−１７７３６６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】M. Beck et al.,"Continuous Wave Operation of a Mid-Infrared Semiconductor Laser at RoomTemperature", Science Vol.295 (2002) pp.301-305
【非特許文献２】J. S. Yu et al.,"High-Power Continuous-Wave Operation of a 6μm Quantum-Cascade Laser atRoom Temperature", Appl. Phys. Lett. Vol.83 (2003) pp.2503-2505
【非特許文献３】A. Evans et al.,"Continuous-Wave Operation of λ〜4.8μm Quantum-Cascade Lasers at RoomTemperature", Appl. Phys. Lett. Vol.85 (2004) pp.2166-2168
【非特許文献４】A. Tredicucci et al.,"High Performance Interminiband Quantum Cascade Lasers with GradedSuperlattices", Appl. Phys. Lett. Vol.73 (1998) pp.2101-2103
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した量子カスケードレーザについては、レーザ発振に成功した当初は素子の駆動温度は極低温に限られていたが、２００２年には M. Beck らによって発振波長９．１μｍでの室温ＣＷ動作が達成された（非特許文献１：M. Beck et al., Science Vol.295 (2002) pp.301-305）。また、その後、M. Razeghiらのグループによって発振波長６μｍ、及び４．８μｍにおいても室温ＣＷ動作が達成された（非特許文献２：J. S. Yu et al., Appl. Phys.Lett. Vol.83 (2003) pp.2503-2505、非特許文献３：A. Evans et al., Appl. Phys. Lett.Vol.85 (2004) pp.2166-2168）。
【０００７】
室温以上の高温の動作条件で量子カスケードレーザのＣＷ動作を実現するためには、素子の放熱性の向上と同時に、効率的な反転分布の形成によるレーザ動作の低閾値化が必要となる。このように、活性層のサブバンド間での電子遷移による発光動作において、発光上準位と発光下準位との間で効率的に反転分布を形成するためには、発光上準位への効率的な電子注入、及び発光下準位におけるキャリア分布の抑制（キャリアの短寿命化）が重要となる。
【０００８】
例えば、特許文献１：米国特許第５４５７７０９号公報に記載されたレーザ素子では、３重量子井戸の発光層を含む活性層を用い、電子注入層と量子井戸発光層との間の注入障壁のすぐ隣に薄い量子井戸層を設ける構造により、発光上準位（Ｅ３）への電子の注入効率を向上（η＝０．８７）させている。
【０００９】
また、この特許文献１のレーザ素子では、発光下準位（Ｅ２）よりも低いエネルギー準位として、極性縦光学（ＬＯ：Longitudinal Optical）フォノンのエネルギー分だけ低い緩和準位（Ｅ１）を設け、ＬＯフォノン散乱を介して発光下準位から高速に電子を引き抜くことによって、発光下準位でのキャリアの短寿命化（τＥ２＝０．４ｐｓ程度）が実現されている。しかしながら、この構造では、量子井戸発光層から注入層へのトンネル時間がτｅｓｃ＝２〜３ｐｓと比較的長く、ＬＯフォノン散乱による高速での電子の引き抜きがが実効的に制限されている。また、この場合、引き抜いた先の準位に溜まったキャリアは熱的に再分布されるため、素子の温度特性が悪化する要因になる。
【００１０】
一方、特許文献２：米国特許第５７４５５１６号公報に記載されたレーザ素子では、超格子によるミニバンド間の遷移を用いている。このような構造では、発光下準位におけるミニバンド内のキャリアの高速緩和によって、反転分布を容易に形成することが可能である。例えば、A. Tredicucci らの構造（非特許文献４：A. Tredicucci etal., Appl. Phys. Lett. Vol.73 (1998) pp.2101-2103）では、発光下準位のミニバンドにおけるキャリア寿命は０．１ｐｓ程度と見積もられている。しかしながら、この構造では、ミニバンド間の遷移を用いているために、発光に寄与する準位が多数存在し、発光のゲインが分散してその半値幅が広くなるという問題がある。また、活性層における一周期当たりの層厚が厚くなる、発光上準位への電子の注入効率が低い（η＝０．７６）などの問題もある。
【００１１】
また、これらの問題に対して、活性層の構造として、ダブルフォノン共鳴構造（特許文献３：米国特許第６７５１２４４号公報、対応日本公報：特表２００４−５２１４８１号公報）、及びＢＴＣ（Bound to Continuum）構造（特許文献４：米国特許第６９２２４２７号公報、対応日本公報：特表２００４−５０７９０３号公報）が提案されている。しかしながら、これらの構造の量子カスケードレーザでも、室温等の動作条件において、充分な性能が得られているとは言えない。
【００１２】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、量子井戸発光層における反転分布を効率的に形成して、レーザ動作性能を向上することが可能な量子カスケードレーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような目的を達成するために、本発明による量子カスケードレーザは、（１）半導体基板と、（２）半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで量子井戸発光層と注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、（３）活性層に含まれる複数の単位積層体のそれぞれは、そのサブバンド準位構造において、発光上準位と、発光下準位と、発光下準位よりも低いエネルギー準位からなり緩和準位として機能する緩和ミニバンドとを有し、緩和ミニバンドのエネルギー幅は、縦光学フォノンのエネルギーよりも大きく設定され、（４）量子井戸発光層における発光上準位から発光下準位への電子のサブバンド間遷移によって光が生成されるとともに、サブバンド間遷移を経た電子は、縦光学フォノン散乱によって発光下準位から緩和ミニバンドへと緩和され、緩和ミニバンドを介して、注入層から後段の単位積層体の量子井戸発光層へと注入され、量子井戸発光層は、前段の単位積層体側から順に第１〜第ｎ量子障壁層のｎ個（ｎは５以上の整数）の量子障壁層、及び第１〜第ｎ量子井戸層のｎ個の量子井戸層を有し、第１量子障壁層は、前段の注入層から量子井戸発光層への注入障壁層として機能するとともに、第３量子井戸層の層厚は、第２量子井戸層の層厚に対して９０％以上１０５％以下の範囲内で設定されていることを特徴とする。
【００１４】
上記した量子カスケードレーザでは、量子井戸発光層及び注入層を含む単位積層体でのサブバンド準位構造において、発光に関わる発光上準位、及び発光下準位に加えて、発光下準位よりも低いエネルギー準位からなる緩和ミニバンドを設けている。そして、発光下準位と緩和ミニバンドとの間のエネルギー間隔が縦光学フォノン（ＬＯフォノン）のエネルギーに対応するようにサブバンド準位構造を構成している。
【００１５】
このような構成では、発光層でのサブバンド間の発光遷移を経た電子は、ＬＯフォノン散乱、及びミニバンド内での緩和を介して発光下準位から高速に引き抜かれる。したがって、発光層における効率的な反転分布の形成、及びそれによるレーザ動作の低閾値化を実現して、そのレーザ動作性能を向上することが可能となる。また、上記構成では、緩和ミニバンドのエネルギー幅を、ＬＯフォノンのエネルギーよりも大きく設定している。これにより、ミニバンド内での電子の緩和、及びそれによる発光層での反転分布の形成の効率を向上することができる。
【００１６】
また、発光下準位から緩和ミニバンドへの電子の引き抜きにＬＯフォノン散乱を用いている上記構成では、発光上準位と下準位との間の発光遷移がサブバンド間の遷移であるため、その発光のゲインを集中させることができる。また、サブバンド間遷移を経た電子の緩和にミニバンドを利用していることにより、発光下準位からの電子の緩和構造の設計が容易化されるとともに、レーザ素子の製造時における特性の安定化、及び歩留まりの向上を実現することが可能となる。
【００１７】
上記のようなサブバンド準位構造は、活性層を構成する単位積層体での量子井戸構造の設計によって制御することが可能である。さらに、上記構成では、５層以上の量子障壁層及び量子井戸層によって量子井戸発光層を構成し、第１障壁層を注入障壁層とするとともに、第３井戸層の層厚を、第２井戸層の層厚に対して９０％以上１０５％以下の範囲内で設定している。これにより、発光上準位及び下準位の波動関数が発光層全体に広がることで遷移の強度を示すダイポールモーメントを大きくして、量子井戸発光層での発光遷移の効率を向上することが可能となる。以上より、上記構成によれば、発光層における反転分布が効率的に形成されるとともに、発光遷移の強度が向上された量子カスケードレーザが実現される。このような構成は、例えば室温以上の動作温度における低閾値、高出力なレーザ動作を実現する上で有効である。
【００１８】
ここで、発光層での第２、第３井戸層以外の井戸層については、量子井戸発光層において、第４量子井戸層及び第５量子井戸層の層厚は、それぞれ第２量子井戸層の層厚に対して７０％以上１００％以下の範囲内で設定されていることが好ましい。これにより、単位積層体でのサブバンド準位構造を好適に形成することができる。
【００１９】
また、量子井戸発光層において、第２量子障壁層、第３量子障壁層、及び第４量子障壁層の層厚は、それぞれ２〜５原子層の範囲内で設定されていることが好ましい。このように、第２〜第４障壁層の層厚を薄く設定することにより、上記のように発光層全体に広がった発光上準位及び下準位の波動関数を充分に強く結合させることができる。
【００２０】
また、量子井戸発光層において、第５量子障壁層の層厚は、第２量子障壁層、第３量子障壁層、及び第４量子障壁層のいずれの層厚よりも大きく、かつ、注入層における量子井戸発光層から注入層への抽出障壁層の層厚よりも小さく設定されていることが好ましい。このように、第５障壁層の層厚を適切に設定することにより、発光上準位及び下準位の波動関数を第５井戸層まで充分な大きさで分布させることができる。
【００２１】
また、単位積層体のサブバンド準位構造において、発光上準位から発光上準位よりも高エネルギー側にある準位までのエネルギー間隔は、縦光学フォノンのエネルギーよりも大きく設定されていることが好ましい。これにより、前段の注入層から発光上準位へと注入される電子のうちで、発光上準位よりも高エネルギーの準位への電子の漏れ出しを抑制することができる。
【００２２】
また、緩和ミニバンドは、量子井戸発光層でのミニバンドと、注入層でのミニバンドとが結合したバンド構造を有することが好ましい。これにより、量子井戸発光層から注入層への電子のトンネル時間を短くすることができ、発光下準位からの高速での電子の引き抜きが実効的に制限されることを防止することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の量子カスケードレーザによれば、活性層を構成する単位積層体でのサブバンド準位構造において、発光上準位及び下準位に加えて、下準位よりも低いエネルギー準位からなりＬＯフォノンのエネルギーよりも大きいエネルギー幅の緩和ミニバンドを設け、サブバンド間遷移を経た電子がＬＯフォノン散乱及びミニバンド内での緩和によって下準位から高速に引き抜かれる構成とし、かつ、５層以上の井戸層及び障壁層によって発光層を構成し、第１障壁層を注入障壁層とするとともに、第３井戸層の層厚を第２井戸層の層厚に対して９０％以上１０５％以下の範囲内で設定することにより、発光層における効率的な反転分布の形成、及び発光遷移の強度の向上を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】量子カスケードレーザの基本構成を概略的に示す図である。
【図２】図１に示した量子カスケードレーザの活性層におけるサブバンド準位構造について示す図である。
【図３】量子カスケードレーザの構成の一例を示す図である。
【図４】活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。
【図５】活性層における１周期分の単位積層体の構造の一例を示す図表である。
【図６】第５障壁層の層厚と、第５井戸層でのダイポールモーメントの割合との相関を示すグラフである。
【図７】発光層における量子井戸層の層厚の変化を示すグラフである。
【図８】第５井戸層の層厚と、エネルギー間隔ΔＥｈとの相関を示すグラフである。
【図９】量子カスケードレーザの特性の評価結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面とともに本発明による量子カスケードレーザの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２６】
図１は、本発明による量子カスケードレーザの基本構成を概略的に示す図である。本実施形態の量子カスケードレーザ１Ａは、半導体量子井戸構造におけるサブバンド間の電子遷移を利用して光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子である。この量子カスケードレーザ１Ａは、半導体基板１０と、半導体基板１０上に形成された活性層１５とを備えて構成されている。また、量子カスケードレーザ１Ａの側面のうちで対向している所定の２面には、光共振器を構成する鏡面（図示していない）が形成されている。
【００２７】
活性層１５は、光の生成に用いられる量子井戸発光層と、発光層への電子の注入に用いられる電子注入層とが交互かつ多段に積層されたカスケード構造を有する。具体的には、量子井戸発光層及び注入層からなる半導体積層構造を１周期分の単位積層体１６とし、この単位積層体１６が多段に積層されることで、カスケード構造を有する活性層１５が構成されている。量子井戸発光層及び注入層を含む単位積層体１６の積層数は適宜設定されるが、例えば数１００程度である。また、活性層１５は、半導体基板１０上に直接に、あるいは他の半導体層を介して形成される。
【００２８】
図２は、図１に示した量子カスケードレーザの活性層におけるサブバンド準位構造について示す図である。図２に示すように、活性層１５に含まれる複数の単位積層体１６のそれぞれは、量子井戸発光層１７と、注入層１８とによって構成されている。量子井戸発光層１７及び注入層１８は、それぞれ量子井戸層及び量子障壁層を含む所定の量子井戸構造を有して形成される。これにより、単位積層体１６中においては、量子井戸構造によるエネルギー準位構造であるサブバンド準位構造が形成される。
【００２９】
具体的には、発光層１７は、前段の単位積層体の注入層１８ａ側から順に第１〜第ｎ量子障壁層のｎ個（ｎは５以上の整数）の量子障壁層、及び第１〜第ｎ量子井戸層のｎ個の量子井戸層を有し、障壁層と井戸層とが交互に積層されて構成されている。また、これらの半導体層のうちで第１量子障壁層は、前段の注入層１８ａから発光層１７へと注入される電子に対する注入障壁（injection barrier）層１７１となっている。注入層１８は、発光層１７側から順に第１〜第ｍ量子障壁層のｍ個（ｍは整数）の量子障壁層、及び第１〜第ｍ量子井戸層のｍ個の量子井戸層を有し、障壁層と井戸層とが交互に積層されて構成されている。また、これらの半導体層のうちで第１量子障壁層は、発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁（exitbarrier）層１９１となっている。
【００３０】
本実施形態における活性層１５の単位積層体１６は、図２に示すように、そのサブバンド準位構造において、サブバンド間遷移による発光に関わる発光上準位Ｌｕｐと、発光下準位Ｌｌｏｗとに加えて、発光下準位Ｌｌｏｗよりも低いエネルギー準位であって緩和準位として機能する準位からなる緩和ミニバンドＭＢを有している。このミニバンドＭＢは、発光下準位ＬｌｏｗとミニバンドＭＢとの間のエネルギー差が、縦光学（ＬＯ）フォノンのエネルギーＥＬＯとなるように設定されている。また、ミニバンドＭＢは、そのエネルギー幅ΔＥＭＢが、ＬＯフォノンのエネルギーよりも大きくなる（ΔＥＭＢ＞ＥＬＯ）ように設定されている。なお、ＬＯフォノンのエネルギーについては、例えば半導体材料としてＩｎＧａＡｓを用いた場合、ＥＬＯは約３４ｍｅＶである。
【００３１】
さらに、本実施形態の単位積層体１６では、量子井戸発光層１７での半導体積層構造において、第３量子井戸層の層厚が、第２量子井戸層の層厚と同程度に設定された構成となっている。具体的には、第３量子井戸層の層厚は、第２量子井戸層の層厚に対して９０％以上１０５％以下の範囲内で設定されている。これにより、発光層中央付近に波動関数の中心を設置することが可能となり、発光上準位Ｌｕｐ及び下準位Ｌｌｏｗの波動関数が発光層１７全体に充分に広がることとなる。
【００３２】
このようなサブバンド準位構造において、前段の注入層１８ａでのミニバンドＭＢからの電子ｅ−は、注入障壁層１７１を介して量子井戸発光層１７の発光上準位Ｌｕｐへと注入される。発光上準位Ｌｕｐに注入された電子は発光下準位Ｌｌｏｗへと発光遷移し、このとき、上準位Ｌｕｐ及び下準位Ｌｌｏｗのサブバンド準位間のエネルギー差に相当する波長の光ｈνが生成、放出される。また、上記したように、準位Ｌｕｐ、Ｌｌｏｗの波動関数が発光層１７全体に広がっていることにより、発光遷移の強度を示すダイポールモーメントが大きくなって、発光遷移の効率が向上される。
【００３３】
発光下準位Ｌｌｏｗへと遷移した電子は、ＬＯフォノン散乱によって緩和ミニバンドＭＢへと高速で緩和され、さらに、ミニバンドＭＢ内で高速緩和される。このように、発光下準位ＬｌｏｗからＬＯフォノン散乱及びミニバンド内での緩和を介して高速で電子を引き抜くことにより、発光上準位Ｌｕｐと下準位Ｌｌｏｗとの間でレーザ発振を実現するための反転分布が高効率で形成される。また、上記構成では、ΔＥＭＢ＞ＥＬＯであるため、ミニバンドＭＢ内においてもＬＯフォノン散乱を介した電子の高速緩和が起こる。
【００３４】
また、図２に示した準位構造の例では、緩和ミニバンドＭＢは、量子井戸発光層１７でのミニバンドと、注入層１８でのミニバンドとが結合したバンド構造を有している。このような構成において、発光下準位Ｌｌｏｗから緩和ミニバンドＭＢへと緩和された電子は、抽出障壁層１９１及び注入層１８を介して、ミニバンドＭＢから、後段の発光層１７ｂでの発光上準位Ｌｕｐへとカスケード的に注入される。
【００３５】
このような電子の注入、発光遷移、及び緩和を活性層１５を構成する複数の単位積層体１６で繰り返すことにより、活性層１５においてカスケード的な光の生成が起こる。すなわち、量子井戸発光層１７及び注入層１８を多数交互に積層することにより、電子は積層体１６をカスケード的に次々に移動するとともに、各積層体１６でのサブバンド間遷移の際に光ｈνが生成される。また、このような光がレーザ１Ａの光共振器において共振されることにより、所定波長のレーザ光が生成される。
【００３６】
本実施形態による量子カスケードレーザ１Ａの効果について説明する。
【００３７】
図１及び図２に示した量子カスケードレーザ１Ａでは、量子井戸発光層１７及び注入層１８から構成される単位積層体１６でのサブバンド準位構造において、発光に関わる発光上準位Ｌｕｐ、及び発光下準位Ｌｌｏｗに加えて、発光下準位Ｌｌｏｗよりも低いエネルギー準位からなる緩和ミニバンドＭＢを設けている。そして、発光下準位Ｌｌｏｗと緩和ミニバンドＭＢとの間のエネルギー間隔がＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯに対応するようにサブバンド準位構造を構成している。
【００３８】
このような構成では、発光層１７でのサブバンド間の発光遷移を経た電子は、発光下準位ＬｌｏｗからミニバンドＭＢへのＬＯフォノン散乱、及びミニバンドＭＢ内での緩和を介して発光下準位Ｌｌｏｗから高速に引き抜かれることとなる。したがって、量子井戸発光層１７における効率的な反転分布の形成、及びそれによるレーザ動作の低閾値化を実現することができ、レーザ動作性能が向上された高温、ＣＷ、高出力動作のレーザ素子を実現することが可能となる。
【００３９】
また、上記構成では、緩和ミニバンドＭＢのエネルギー幅ΔＥＭＢを、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯよりも大きく設定している。これにより、ミニバンドＭＢ内での電子の緩和、及びそれによる発光層１７での反転分布の形成の効率を向上することができる。すなわち、このような構成では、発光下準位ＬｌｏｗからミニバンドＭＢ内に緩和された電子は、ミニバンドＭＢ内での緩和によって効率的に注入層１８内の基底準位Ｌｇへと緩和される。このとき、上記したようにミニバンドＭＢのエネルギー幅をＬＯフォノンのエネルギーよりも充分に大きく設定することにより、ミニバンドＭＢ内においてもＬＯフォノン散乱を介した緩和が可能となるため、より効率的な電子の緩和が実現される。
【００４０】
また、発光下準位Ｌｌｏｗから緩和ミニバンドＭＢへの電子の引き抜きにＬＯフォノン散乱を用いる上記構成では、発光上準位Ｌｕｐと下準位Ｌｌｏｗとの間の発光遷移がミニバンド−ミニバンド間、あるいはサブバンド−ミニバンド間の遷移ではなく、サブバンド−サブバンド間の遷移となる。これにより、発光遷移での発光のゲインを集中させることができる。また、サブバンド間遷移を経た電子の緩和にミニバンドＭＢを利用していることにより、発光下準位Ｌｌｏｗからの電子の緩和構造の設計が容易化されるとともに、レーザ素子の製造時における特性の安定化、及びその歩留まりの向上を実現することが可能となる（特許文献５参照）。
【００４１】
上記のようなサブバンド準位構造は、活性層１５を構成する単位積層体１６での量子井戸構造の設計によって制御することが可能である。さらに、上記構成では、５層以上の量子障壁層及び量子井戸層によって量子井戸発光層１７を構成し、第１障壁層１７１を注入障壁層とするとともに、第３井戸層の層厚を、第２井戸層の層厚に対して９０％以上１０５％以下の範囲内で設定している。
【００４２】
このような量子井戸構造では、発光上準位Ｌｕｐ及び下準位Ｌｌｏｗの波動関数は、発光層１７全体に広がって存在している。また、発光遷移の強度を示すダイポールモーメントは、上準位及び下準位の波動関数の空間積分によって決定される。したがって、上準位、及び下準位の波動関数が発光層１７全体に広がることでダイポールモーメントを大きくして、発光層１７での発光遷移の効率を向上することが可能となる。以上より、上記構成によれば、発光層１７における反転分布が効率的に形成されるとともに、発光遷移の強度が向上された量子カスケードレーザ１Ａが実現される。このような構成は、例えば室温以上の動作温度における低閾値、高出力なレーザ動作を実現する上で有効である。
【００４３】
ここで、発光層１７での第２、第３量子井戸層以外の井戸層については、量子井戸発光層１７において、第４量子井戸層及び第５量子井戸層の層厚は、それぞれ第２量子井戸層の層厚に対して７０％以上１００％以下の範囲内で設定されていることが好ましい。これにより、単位積層体１６でのサブバンド準位構造を好適に形成することができる。
【００４４】
また、発光層１７において、第２量子障壁層、第３量子障壁層、及び第４量子障壁層の層厚は、それぞれ２〜５原子層の範囲内で設定されていることが好ましい。このように、第２〜第４障壁層の層厚を薄く設定することにより、発光層１７全体に広がった発光上準位Ｌｕｐ及び下準位Ｌｌｏｗの波動関数を充分に強く結合させることができる。
【００４５】
また、発光層１７において、第５量子障壁層の層厚は、第２量子障壁層、第３量子障壁層、及び第４量子障壁層のいずれの層厚よりも大きく、かつ、注入層１８における発光層１７から注入層１８への抽出障壁層１９１の層厚よりも小さく設定されていることが好ましい。このように、第５障壁層の層厚を適切に設定することにより、発光上準位Ｌｕｐ及び下準位Ｌｌｏｗの波動関数を第５井戸層まで充分な大きさで分布させることができる。なお、発光層１７の量子井戸構造については、具体的にはさらに後述する。
【００４６】
また、図２に示すように、発光上準位Ｌｕｐよりも高エネルギー側に準位Ｌｈがある場合には、発光上準位Ｌｕｐから準位Ｌｈまでのエネルギー間隔ΔＥｈは、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯよりも大きくなる（ΔＥｈ＞ＥＬＯ）ように設定されていることが好ましい。これにより、前段の注入層１８ａから発光上準位Ｌｕｐへと注入される電子のうちで、発光上準位よりも高エネルギーの準位Ｌｈへの電子の漏れ出しを抑制することができる。また、このような構成では、仮に準位Ｌｈに入った電子があったとしても、そのような電子はＬＯフォノン散乱によって即座に発光上準位Ｌｕｐへと緩和するため、発光上準位Ｌｕｐのみへの高い電子の注入効率を実現することができる。
【００４７】
また、発光下準位Ｌｌｏｗについては、ミニバンドＭＢでの一のサブバンド（ミニバンドＭＢ内で最も高いエネルギーのサブバンド）を他のサブバンドからＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯ分だけ高エネルギー側に分離させ、その分離された準位を下準位Ｌｌｏｗとする構成を用いることができる。これにより、発光下準位Ｌｌｏｗと、下準位からＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯ分だけ離れた緩和ミニバンドＭＢとを含む準位構造を好適に実現することができる。
【００４８】
また、単位積層体１６において、量子井戸発光層１７と注入層１８との間に、発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁層１９１が設けられていることが好ましい。これにより、注入層１８から発光層１７への電子の波動関数の染み出しを抑制して、発光層１７での発光遷移の効率を向上することが可能となる。すなわち、このように電子の波動関数の染み出しを抑制することにより、レーザ発振に寄与する光学遷移が確実に上準位Ｌｕｐ及び下準位Ｌｌｏｗのサブバンド間で行われ、下準位Ｌｌｏｗからのキャリアが１段階のＬＯフォノン散乱によってミニバンドＭＢ内へと緩和することとなる。
【００４９】
また、緩和ミニバンドＭＢは、量子井戸発光層１７でのミニバンドと、注入層１８でのミニバンドとが結合したバンド構造を有することが好ましい。このように、発光層１７のミニバンドと注入層１８のミニバンドとを強く結合させることにより、量子井戸発光層１７から注入層１８への電子のトンネル時間を短くすることができ、下準位Ｌｌｏｗからの高速での電子の引き抜きが実効的に制限されることを防止することができる。
【００５０】
本発明による量子カスケードレーザの構成について、活性層での量子井戸構造を含む素子構造の具体例とともにさらに説明する。図３は、量子カスケードレーザの具体的な構成の一例を示す図である。また、図４は、図３に示した量子カスケードレーザにおける活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。
【００５１】
本実施例における活性層１５の量子井戸構造では、発振波長を９μｍ（エネルギー１４０ｍｅＶ）、動作電界を４５ｋＶ／ｃｍとして設計された例を示している。なお、図４においては、活性層１５を構成する発光層１７及び注入層１８による多段の繰返し構造のうちの一部について、その量子井戸構造、及びサブバンド準位構造を示している。また、図３及び図４に示した素子構造は、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、または有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法による結晶成長で形成することができる。
【００５２】
図３に示す量子カスケードレーザ１Ｂの半導体積層構造では、半導体基板１０としてｎ型ＩｎＰ単結晶基板５０を用いている。そして、このＩｎＰ基板５０上に、基板側から順に、厚さ３００ｎｍのＩｎＧａＡｓ下部コア層５１、単位積層体１６が多段に積層された活性層１５、厚さ３００ｎｍのＩｎＧａＡｓ上部コア層５２、厚さ３．５μｍのＩｎＰクラッド層５３、及び厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡｓコンタクト層５４が順次積層されることで、量子カスケードレーザ１Ｂの素子構造が形成されている。
【００５３】
本構成例における活性層１５は、量子井戸発光層１７及び電子注入層１８を含む単位積層体１６が３３周期で積層されて構成されている。また、１周期分の単位積層体１６は、図４に示すように、１１個の量子井戸層１６１〜１６５、１８１〜１８６、及び１１個の量子障壁層１７１〜１７５、１９１〜１９６が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。これらの量子井戸層／量子障壁層は、具体的には、ＩｎＰ基板と格子整合するＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ／Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓによって構成されている。
【００５４】
また、図４に示す単位積層体１６の積層構造において、井戸層１６１〜１６５及び障壁層１７１〜１７５からなる積層部分が、発光層１７として機能する部分となっている。また、井戸層１８１〜１８６及び障壁層１９１〜１９６からなる積層部分が、注入層１８として機能する部分となっている。また、発光層１７の第１障壁層１７１は、注入層１８ａから発光層１７への電子に対する注入障壁層となっている。同様に、注入層１８の第１障壁層１９１は、発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁層となっている。図５に、活性層１５における１周期分の単位積層体１６の具体的な構造の一例を示す。
【００５５】
このような構成において、図４に示す単位積層体１６のサブバンド準位構造ではレーザ動作に寄与する準位は１２個あり、また、緩和ミニバンドＭＢには複数の準位が対応している。具体的には、図４に示す準位構造は、発光上準位Ｌｕｐ、発光下準位Ｌｌｏｗ、及び複数の準位を含む緩和ミニバンドＭＢを有している。本構成例では、下準位Ｌｌｏｗは、ミニバンドＭＢからＬＯフォノンのエネルギーに相当する約３４ｍｅＶだけ高エネルギー側に分離されている。また、ミニバンドＭＢは、発光層１７でのミニバンドと、注入層１８でのミニバンドとが結合したバンド構造を有するとともに、そのエネルギー幅が、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯよりも大きくΔＥＭＢ＝６０ｍｅＶに設定されている。
【００５６】
また、本構成例の準位構造は、発光上準位Ｌｕｐ及び下準位Ｌｌｏｗの波動関数が発光層１７全体に充分に広がるように設計されている。また、発光上準位Ｌｕｐよりも高エネルギー側にある準位Ｌｈについて、上準位Ｌｕｐから準位Ｌｈまでのエネルギー間隔が、ＬＯフォノンのエネルギーよりも大きくΔＥｈ＝５５ｍｅＶに設定されている。
【００５７】
このような発光上準位Ｌｕｐと下準位Ｌｌｏｗとのエネルギー間隔、下準位ＬｌｏｗとミニバンドＭＢとのエネルギー間隔、ミニバンドＭＢのエネルギー幅ΔＥＭＢ、上準位Ｌｕｐと準位Ｌｈとのエネルギー間隔ΔＥｈ、及び発光層１７内での各準位の波動関数の広がり等は、発光層１７を構成する井戸層及び障壁層のそれぞれの層厚の組合せによって設計することが可能である。以下、発光層１７及び注入層１８における具体的な量子井戸構造について、その設計手法とともに説明する。なお、本構成例では、上述したように、発振波長を９μｍ、動作電界を４５ｋＶ／ｃｍとしている。この動作電界は、量子井戸構造の設計において、予想される一周期当たりの膜厚及び電圧降下に基づいて設定される。
【００５８】
まず、量子井戸発光層１７の構成について説明する。図４に示す構成例において、発光層１７は、前段の注入層１８ａ側から順に第１〜第５量子障壁層１７１〜１７５、及び第１〜第５量子井戸層１６１〜１６５が交互に積層されて構成されている。障壁層１７１〜１７５のうちで第１障壁層１７１は層厚が３．７ｎｍとやや厚く、注入層１８ａから発光層１７への注入障壁層となっている。
【００５９】
発光層１７におけるサブバンド準位構造は、第２〜第５障壁層１７２〜１７５、第１〜第５井戸層１６１〜１６５の層厚、及び上記した動作電界によって決定される。なお、これらの各半導体層の層厚は、それぞれの準位の波動関数が障壁層及び井戸層の影響を敏感に受けるために単独で決定することはできず、例えば数値計算を用いて量子力学的に各層の層厚が設計される。
【００６０】
本構成例では、緩和ミニバンドＭＢのエネルギー幅ΔＥＭＢがＬＯフォノンのエネルギーよりも大きく、また、発光上準位Ｌｕｐ及び下準位Ｌｌｏｗの波動関数が発光層１７全体に広がる構成としている。このため、障壁層１７２〜１７５の層厚、特に第２障壁層１７２、第３障壁層１７３、及び第４障壁層１７４の層厚は、それぞれ０．８ｎｍ、０．７ｎｍ、０．８ｎｍと薄く設定されている。このように、第２〜第４障壁層１７２〜１７４の層厚を薄くすることにより、発光層１７内において準位同士が充分に強く結合し、また、ミニバンドＭＢのエネルギー幅ΔＥＭＢが大きくなる。一般には、第２〜第４障壁層１７２〜１７４の層厚は、それぞれ２〜５原子層の範囲内で設定することが好ましく、２〜４原子層、あるいは２〜３原子層の範囲内で設定することがさらに好ましい。
【００６１】
また、第５障壁層１７５の層厚は、第２〜第４障壁層１７２〜１７４のいずれの層厚よりも厚く、かつ、注入層１８における抽出障壁層１９１の層厚よりも小さく設定されていることが好ましい（第２、３、４障壁層＜第５障壁層＜抽出障壁層）。本構成例では、上記した第２〜第４障壁層１７２〜１７４の層厚、及び抽出障壁層１９１の層厚２．０ｎｍに対して、第５障壁層１７５の層厚は１．６ｎｍに設定されている。
【００６２】
このように第５障壁層１７５の層厚がやや厚く設定されるのは、ミニバンド内での準位間隔を適切に設定するためである。すなわち、第５障壁層１７５が薄すぎると、ミニバンド内での準位間の結合が強くなって準位間隔が広くなりすぎるため、レーザの製造上の自由度が低下する。一方、第５障壁層１７５が厚すぎると、ミニバンド内での準位間の結合が弱くなるため、電子の輸送効率が落ちることとなる。
【００６３】
また、第５障壁層１７５が厚い場合、上記した電子の輸送効率の低下に加えて、発光上準位及び下準位の波動関数が第５井戸層１６５に存在しなくなるため、発光遷移の強度を示すダイポールモーメントも小さくなる。図６は、第５障壁層１７５の層厚と、第５井戸層１６５でのダイポールモーメントの割合との相関を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は第５障壁層の層厚（ｎｍ）を示し、縦軸は発光層１７全体でのダイポールモーメントに対する第５井戸層でのダイポールモーメントの割合（％）を示している。
【００６４】
図６のグラフに示すように、例えば第５障壁層１７５の層厚を抽出障壁層１９１と同じ２．０ｎｍとした場合、第５井戸層１６５でのダイポールモーメントの割合は１０％程度である。これに対して、第５障壁層１７５の層厚を１．６ｎｍとした上記の実施例では、発光上準位及び下準位の波動関数が第５井戸層１６５まで充分な大きさで分布して、井戸層１６５で約２０％と充分に大きいダイポールモーメントが得られている。
【００６５】
発光層１７における発光波長に対応する発光上準位と下準位とのエネルギー間隔、及びそれらの準位の波動関数の広がりは、上記した障壁層１７１〜１７５の層厚の設定と合わせて、井戸層１６１〜１６５の層厚によって決定される。第１〜第５井戸層１６１〜１６５のうちで、最も前段の注入層１８ａ側の第１井戸層１６１は、層厚１．７ｎｍの比較的薄い層とされており、この井戸層１６１は、前段の注入層１８ａから発光層１７への電子の注入効率を向上させる効果を与えている。
【００６６】
また、第２〜第５井戸層１６２〜１６５の層厚については、それぞれの井戸層内での波動関数の重みを決定しており、基本的には第２井戸層から第５井戸層まで層厚が単調減少するように設定される。このような構成では、発光上準位及び下準位の波動関数は、第２井戸層１６２から第５井戸層１６５に向けて徐々に減衰する。また、このように各井戸層の層厚を設定することにより、上記したように発光上準位とその上の準位とのエネルギー間隔ΔＥｈを充分に大きくすることができる。このエネルギー間隔ΔＥｈは、特に高温でのレーザ特性に大きく影響する。
【００６７】
本構成例では、第２井戸層１６２、第３井戸層１６３、第４井戸層１６４、及び第５井戸層１６５の層厚は、それぞれ５．６ｎｍ、５．６ｎｍ、５．２ｎｍ、４．２ｎｍに設定されている。ここで、図７は、発光層１７における量子井戸層の層厚の変化を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は発光層内での量子井戸層の番号（１〜５）を示し、縦軸は第２井戸層１６２の層厚を１としたときの各井戸層の層厚比を示している。図７のグラフに示すように、図４、図５に示した構成では、第２〜第５井戸層１６２〜１６５の層厚比は、１：１：０．９３：０．７５となっている。
【００６８】
発光層１７内での第２〜第５井戸層１６２〜１６５の構成において、第２、第３井戸層１６２、１６３については、サブバンド準位構造における発光波長を決定するとともに、発光上準位及び下準位の波動関数を発光層１７全体に分布させるため、第２、第３井戸層１６２、１６３の層厚を同程度とする必要がある。ただし、井戸層１６２、１６３の層厚は、どちらかが数％程度大きくなるように設定することも可能である。このような条件を考慮すると、これらの井戸層の層厚については、第３井戸層１６３の層厚を、第２井戸層１６２の層厚に対して９０％以上１０５％以下の範囲内で設定することが好ましく、９５％以上１０５％以下の範囲内で設定することがさらに好ましい。
【００６９】
次に、第４、第５井戸層１６４、１６５については、上記したように発光上準位とその上の準位とのエネルギー間隔ΔＥｈを充分に大きく設定するために、第２、第３井戸層１６２、１６３の層厚に対して、第４井戸層１６４、第５井戸層１６５と、その層厚が順に減少していく構成とすることが好ましい。図８は、第５井戸層１６５の層厚と、エネルギー間隔ΔＥｈとの相関を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は第５井戸層の層厚（ｎｍ）を示し、縦軸は発光上準位から発光上準位よりも高エネルギー側にある準位までのエネルギー間隔ΔＥｈ（ｍｅＶ）を示している。
【００７０】
図８のグラフに示すように、例えば第５井戸層１６５の層厚を第２井戸層１６２の層厚の９３％に相当する５．２ｎｍとした場合、エネルギー間隔ΔＥｈは３４ｍｅＶとなり、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯと同程度となる。これに対して、第５井戸層１６５の層厚を第２井戸層１６２の層厚の７５％に相当する４．２ｎｍとした上記の実施例では、エネルギー間隔ΔＥｈを約５３ｍｅＶと充分に大きくすることができる。
【００７１】
一般には、第５井戸層１６５の層厚は、上記したエネルギー間隔ΔＥｈをＥＬＯよりも大きく保つために、第２井戸層１６２の層厚に対して１００％以下、より好ましくは９５％以下、の範囲内で設定されていることが好ましい。また、第４井戸層１６４の層厚についても、エネルギー間隔ΔＥｈに大きく影響を与えるため、第５井戸層１６５の層厚と同様に、第２井戸層１６２の層厚に対して１００％以下、より好ましくは９５％以下、の範囲内で設定されていることが好ましい。
【００７２】
一方、第４、第５井戸層１６４、１６５の層厚の下限については、井戸層１６４、１６５の層厚が第２井戸層１６２の層厚の７０％よりも薄くなると、それらの井戸層に波動関数が強く局在してしまう。したがって、第４井戸層１６４、第５井戸層１６５の層厚は、それぞれ第２井戸層１６２の層厚に対して７０％以上の範囲内で設定されていることが好ましい。
【００７３】
次に、電子注入層１８の構成について説明する。図４に示す構成例において、注入層１８は、発光層１７側から順に第１〜第６量子障壁層１９１〜１９６、及び第１〜第６量子井戸層１８１〜１８６が交互に積層されて構成されている。障壁層１９１〜１９６のうちで第１障壁層１９１は、発光層１７から注入層１８への抽出障壁層である。この抽出障壁層１９１については、厚すぎると発光層１７から注入層１８への電子の流れが損なわれるが、薄すぎると注入層１８内の波動関数が発光層１７内の波動関数と強く結合してしまうため、これらの条件を考慮して障壁層１９１の層厚を設定することが好ましい。
【００７４】
本実施例における電子注入層１８では、Funnel Injector（特開平１０−４２４２号公報参照）を用い、次周期の発光層が近づくにしたがってミニバンドＭＢのエネルギー幅が狭くなるように構成することで、次の発光上準位への電子の注入効率を高めている。このような注入層１８の準位構造は、発光層１７側から次周期の発光層側に向けて、井戸層の層厚を薄くし、障壁層の層厚を厚くしていくことで実現することができる。
【００７５】
注入層１８のうち、同一周期の発光層１７側（抽出障壁層１９１側）の井戸層及び障壁層の層厚は、発光層１７内に存在する準位の電子がすべて、注入層１８内のミニバンドに輸送可能なように設計することが好ましい。一方、次周期の発光層側（注入障壁層側）の井戸層及び障壁層の層厚は、ミニバンドのエネルギー幅が充分に狭窄して、注入層１８からの電子が発光上準位Ｌｕｐのみに注入され、その上の準位Ｌｈには注入されないように設計することが好ましい。
【００７６】
以上の条件を考慮して注入層１８を設計した結果、本構成例では、第１〜第６障壁層１９１〜１９６の層厚は、それぞれ２．０ｎｍ、１．６ｎｍ、１．８ｎｍ、２．１ｎｍ、２．７ｎｍ、３．２ｎｍに設定されている。また、第１〜第６井戸層１８１〜１８６の層厚は、それぞれ３．４ｎｍ、３．１ｎｍ、３．０ｎｍ、２．９ｎｍ、３．０ｎｍ、２．８ｎｍに設定されている。
【００７７】
最後に、注入層１８から次周期の発光層への注入障壁層となる発光層１７の第１障壁層１７１の層厚を設定する。本構成例では、障壁層１７１の層厚は、上述したように３．７ｎｍに設定されている。この注入障壁層１７１は、複数周期で積層される単位積層体１６の各周期の結合の強さ、及びレーザに投入可能な最大電流を決定するものである。波動関数の結合の強さはアンチクロッシングギャップで決定されるが、本実施例ではアンチクロッシングギャップを９ｍｅＶとして、充分に大きな電流を輸送できる設計としている。
【００７８】
図９は、上記の実施例に基づいて製造された量子カスケードレーザの特性の評価結果を示すグラフであり、横軸は電流（Ａ）を示し、縦軸はレーザ出力（Ｗ）を示している。また、この評価結果は、室温パルス動作時でのレーザ素子の電流−出力特性を示している。このグラフに示すように、従来の量子カスケードレーザの最高出力が１．６Ｗ程度であったのに対し、上記した構造を採用することにより、約４Ｗと非常に高い最高出力が得られていることがわかる。
【００７９】
本発明による量子カスケードレーザは、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した構成例では、半導体基板としてＩｎＰ基板を用い、活性層をＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓとした例を示したが、量子井戸構造でのサブバンド間の発光遷移が可能であって上記のサブバンド準位構造を実現可能なものであれば、具体的には様々な構成を用いて良い。このような半導体材料系については、上記したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ以外にも、例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＳｉＧｅ／Ｓｉなど、様々な材料系を用いることが可能である。また、半導体の結晶成長方法についても、様々な方法を用いて良い。
【００８０】
また、量子カスケードレーザのレーザ素子全体としての半導体積層構造については、図３に示した構造以外にも様々な構造を用いて良い。一般には、量子カスケードレーザは、半導体基板と、半導体基板上に設けられた上記構成の活性層とを備えて構成されていれば良い。また、量子井戸発光層を構成する障壁層及び井戸層の層数については、上記した構成例では５層としたが、６層以上の層数としても良い。また、上記した構成例では、ＩｎＰ基板に対して格子整合する構成について説明したが、例えばＩｎＰ基板に対して格子不整合を導入した構成を用いることも可能である。この場合、素子設計の自由度の増大、効率的なキャリア閉じ込め、及び発振波長の短波長化が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、量子井戸発光層における反転分布を効率的に形成して、レーザ動作性能を向上することが可能な量子カスケードレーザとして利用可能である。
【符号の説明】
【００８２】
１Ａ、１Ｂ…量子カスケードレーザ、１０…半導体基板、１５…活性層、１６…単位積層体、１７…量子井戸発光層、１８…注入層、５０…ＩｎＰ基板、５１…ＩｎＧａＡｓ下部コア層、５２…ＩｎＧａＡｓ上部コア層、５３…ＩｎＰクラッド層、５４…ＩｎＧａＡｓコンタクト層、Ｌｕｐ…発光上準位、Ｌｌｏｗ…発光下準位、ＭＢ…緩和ミニバンド。
【図１】
2010165994.tif 000003
【図２】
2010165994.tif 000004
【図３】
2010165994.tif 000005
【図４】
2010165994.tif 000006
【図５】
2010165994.tif 000007
【図６】
2010165994.tif 000008
【図７】
2010165994.tif 000009
【図８】
2010165994.tif 000010
【図９】
2010165994.tif 000011